SE538342C2 - Spinnoscillator-anordning - Google Patents

Abstract

Samman drag Uppfinningen som avser att anvanda spinnovergangsmoment under en nano-kontakt pa en magnetisk tunnfilm med vinkelrat magnetisk anisotropi, astadkommer generering av dissipativa rnagnetiska droppsolitoner och magnetiska droppskyrmioner och redogOr fOr deras talrika dynamiska egenskaper. Mikromagnetiska simuleringar identifierar betingelserna for att nukleera och driva dropp-skyrmioner Over ett stort omrade av strommar och Mikromagnetiska simuleringar visar &en hur droppar och dropp-skyrmioner kan anvandas som skyrmion-injektorer och —detektorer i skyrmion-baserade magnetminnen. Droop- skyrmionen Kan styras genom att anvanda bade strOm och magnetfalt, och antas ha tillampningar i spinntronik, magnetik, skyrmionik och PMA-baserade domanvagganordningar.

Description

Spinnoscillator-anordning TEKNISKT OMRÅDE Uppfinningen avser en spinnoscillator-anordning som omfattar en spinnoscillator, och användning av en sådan anordning, BAKGRUND TILL UPPFINNINGEN Spinnoscillator-anordningar, såsom spinn-moment-oscillatorer (STO:er) som använder spinn-vinkelmoment är kända.

Dissipativa magnetiska dropp-solitoner (droppar) är lokaliserade spinn-vågs-excitationer som ges av en balans mellan magnetisk anisotropi, utbyte, spinn-överföringsmoment och dämpning. Droppar kan experimentellt åstadkommas i spinnoscillator-anordningar.

Droppar kan uppvisa exotisk dynamik, såsom tidsperiodisk andning och omkretsperturbationer vilka gör realisering och praktisk användning omöjlig.

För att kunna användas effektivt i spinnoscillatorer kräver typiskt droppar även såväl en vinkelrät spinn-övergångs-moment-komponent för nukleation och styrning, som även en spin polarisationskomponent i-plan för verksam generering av mikrovågsspänning.

Pga. symmetrin av deras spinn-textur injektionslåses droppar inte verksamt av mikrovågsströmmar.

Magnetiska skyrmioner (skyrmioner) är partikel-lika topologiska solitoner som ursprungligen upptäcktes i bulk-ferromagneter som saknar inversions-symmetri. Skyrmionernas spinntextur härstammar från en balans mellan den vanliga ferromagnetiska utbyteskopplingen, Dzyaloshinskii-Moriya interaktionen (DMI), och Zeeman energin från det pålagda fältet. Skyrmioner har föreslagits som nästa generations magnetiska informationsbärare i ultratunna magnetiska nanotrådar där asymmetriska gränssnitt åstadkommer den nödvändiga DMI:n.

Således finns det fortfarande ett behov av att lösa detta, vilket inte har varit möjligt förrän nu.

KORTFATTAD BESKRIVNING AV UPPFINNINGEN Ett ändamål med uppfinningen är att tillhandahålla en spinnoscillator-anordning med en styrbar dissipativ magnetisk dropp-skyrmion.

Ett annat ändamål med uppfinningen är att tillhandahålla ett skyrmionminne där dissipativa magnetiska dropp-solitoner och dissipativa magnetiska dropp-skyrmioner nukleeras genom att använda en spinnoscillator-anordning som i sin tur används för att injicera vanliga skyrmioner in i en magnetisk tunnfilm.

Ytterligare ett ändamål med uppfinningen är att tillhandahålla ett skyrmionminne där en magnetisk dropp-soliton används i en spinnoscillator-anordning för att detektera en närliggande vanlig skyrmion.

Enligt en utföringsform av uppfinningen tillhandahålls en spinnoscillator-anordning som innefattar en spinnoscillator med en magnetisk film med vinkelrät magnetisk anisotropi. Spinnoscillator-anordningen innefattar medel, eller är i sig själv, konfigurerad till att generera magnetiska dropp-solitoner och magnetiska dropp-skyrmioner, där nämnda medel är konftgurerat till att styra dropp-solitonema och dropp-skyrmionerna genom att pålägga ström och/eller magnetiska fält.

En fördel med uppfinningen jämfört med vad som tills nu beskrivits är att en tillräckligt stark, tillräckligt stabil, och användbar signal kunde tillhandahållas av anordningen enligt uppfinningen. En annan fördel är hög uteffekt och att intrikata dynamiker såsom auto-modulation kan undertryckas vilket gör realisering och praktisk användning möjlig.

En ytterligare fördel med uppfinningen är den kontrollerade nukleationen och injektionen av skyrmioner i ett skyrmionminne såväl som kontrollerad detektion av skyrmioner i ett skyrmionminne.

KORTFATTAD FIGURBESKRIVNING Särdrag och fördelar med uppfinningen framgår av följande detaljerade beskrivning och åtföljande ritningsfigurer, av vilka: FIG. 1 'A visar en spinnoscillator-anordning enligt en utföringsform av uppfinningen i en vy från sidan, FIG. 1 "A visar en spinnoscillator-anordning enligt en alternativ utföringsform av uppfinningen i en vy från sidan, FIG. 1 'B visar en spinnoscillator-anordning enligt en annan utföringsform av uppfinningen i en vy från sidan, FIG. 1 'C visar en alternativ utföringsform; och FIG. 1 'D-F visar alternativa utföringsformer. FIG. 1A-D visar nukieation och fält-toggling (eng. toggling) hos en droppskyrmion; FIG. 2A-E visar nukieation och strömbromsning hos en droppskyrmion; FIG. 3A-B visar inställning av droppskyrmionen; FIG. 4A-B visar nukleations- och stabilitetsfasdiagram; FIG. 5A-B visar dropp- och droppskyrmion-injektionslåsning; och FIG. 6a-d visar droppnukleation och skyrmionavläsning.

DETALJERAD BESKRIVNING AV UPPFINNINGEN Utföringsformer av uppfinningen kommer beskrivas såsom följer, med början av en detaljerad förklaring av droppsolitoner, skyrmioner, och droppskyrmioner och en del grundläggande principer som hänför sig därtill. Specifika hänvisningar till en referenslista indikeras inom hakparenteser.

Fig. 1 'A visar en spinnoscillator-anordning enligt en utföringsform av uppfinningen.

Spinnoscillator-anordningen 1 innefattar en spinoscillator 2 med ett magnetiskt skikt 3 med vinkelrät magnetisk anisotropi. Spinnoscillator-anordningen 1, och/eller medel 4, är konfigurerade till att generera magnetiska droppsolitoner 5 och/eller magnetiska droppskyrmioner. Spinnoscillatom 2 är konfigurerad till att styra dropp-solitonerna 5 och droppskyrmionerna genom att injicera ström ldc, och/eller pålägga magnetfält. I denna utföringsform, är spinnoscillatorn 2 en splnnmomentoscillator, STO, där en nano-kontakt, NC, 6 är anordnad på den magnetiska filmen 3 vilket ger en så-kallad "NC-STO" 2, 6. Nämnda medel 4 kan vara konfigurerat till att pålägga spinnövergångsmoment, STT, under nämnda NC 6, Spinnoscillatorn 2 uppvisar ett aktivt magnetiskt skikt 3 med magnetiska egenskaper såsom att kunna generera magnetiska droppsolitoner 5 och/eller magnetiska droppskyrmioner. En sådan egenskap för generering av magnetiska droppsolitoner och droppskyrmioner är en vinkelrät magnetisk anisotropi som är stor nog till att orientera magnetiseringen av det aktiva magnetiska skiktet 3 i en jämviktsriktning M vinkelrätt mot ett plan av skikt 3. Alternativt kan det aktiva magnetiska skiktet 3 uppvisa en vinklad anisotropi, eller en kombination av anisotropier, för att tillhandahålla en jämviktsorienteringsriktning ut-ur-plan hos det aktiva magnetiska skiktet 3. Generationen av den magnetiska droppsolitonen 5 och/eller droppskyrmionen kräver även medel för att övervinna spinnvågsdämpning i det aktiva området av det aktiva magnetiska skiktet 3. Sådana medel inkluderar STT eller spinnpumpning som använder spinn-Hall-effekten.

Typiskt injiceras, vid drift, spinnpolariserad ström ldcis genom nämnda NC 6 och exciterar magnetiseringsosclllationer hos ett fritt skikt 9, i detta fall ett skyddsskikt 9, direkt under nämnda NC 6. Dessa oscillationer genererar spinnvågor i det fria skiktet 8 som utbreder sig bort från nämnda NC 6.1 denna anordning flyter ström vinkelrätt mot stapelns skikt 9, 3, 7, 8, där ett fritt polariserande fast skikt 8 fungerar som en strömspinnpolariserare.

Alternativt kan spinnoscillatorn 2 ha sitt aktiva magnetiska skikt 3 under mellanläggsskiktet och dess fasta polariserande skikt 8 ovanför mellanläggsskiktet, dvs. skikt 3 och 8 byter platser.

Spinnoscillatorn 2 genererar en utsignal Vrfgenom en magnetresistiv effekt (mellanläggsskikt 7 är metall) såsom "giant magnetoresistans, tunnlande magnetresistans skikt (mellanläggsskikt 7 är en tunlingsbarriär, eller anisotrop magnetresistans, eller en kombination därav). Spinnoscillatorn 2 kan även generera en utsignal Vrfgenom magnetresistiva effekter i andra angränsande material där det tidsvarierande fältet från nämnda magnetiska droppsoliton 5 modulerar resistansen eller någon annan egenskap hos det angränsande materialet. FIG. 1 "A visar en alternativ utföringsform, där det aktiva magnetiska skiktet 3 och det polariserande fasta skiktet 8 är i alternativa lägen mot lägena som visas i FIG. 1 'A. FIG. 1 'B visar en alternativ utföringsform, där toppskiktet 9 och det magnetiska skiktet 3 är mindre än omgivande skikt.

FIG. 1 'C visar en alternativ utföringsform.

Enligt en alternativ utföringsform av uppfinningen är spinnoscillatorn 2 baserad på en spinn-Hall Effekt, istället för STT. Denna utföringsform kommer emellertid inte att förklaras närmare i detta sammanhang.

Enligt en utföringsform av uppfinningen, är nämnda NC-STO 2, 6 baserad på ortogonala pseudospinn-ventil-stackar; enligt en annan på vinkelräta pseudospinn-ventil-stackar, och enligt ytterligare en på vinklade pseudospinn-ventil-stackar. De vinklade pseudospinn-ventil-stackarna kan vara tillverkade av skikt med olika kristallina karaktäristika.

Alternativt kan, nämnda NC-STO 2,6 vara baserad på en "magnetisk tunnlingsövergång", MTJ där de vinklade pseudospinn-ventil-stackarna är tillverkade av två eller flera skikt lutande med olika vinklar, Alla dessa magnetiska egenskaper kan uppvisa en variation i rymden i alla laterala riktningar.

En mikrovågsström, eller ett mikrovågsfält, eller en kombination av mikrovågsström och -fält, vid samma nominella frekvens som spinnoscillator-anordningen kan även tillhandahållas för att förbättra den verkliga mikrovågssignalen hos spinnoscillator-anordningen.

Alternativt tillhandahålls en mikrovågsström, eller ett mikrovågsfält, eller en kombination av mikrovågsström och -fält, vid någon nominellt högre oktav, eller deloktav, eller lägre deloktav av frekvensen hos spinnoscillator-anordningen för att förbättra den verkliga mikrovågssignalen hos spinnoscillator-anordningen.

Den tillhandahållna mikrovågsströmmen och/eller-fältet kan ursprungligen genereras av spinnoscillator-anordningen för att ge återkoppling från spinnoscillator-anordningen på sig själv.

Ett magnetiskt fält eller en ström kan modulera arbetspunkten hos spinnoscillator-anordningen.

Spinnoscillator-anordningen kan användas för frekvensskiftmodulation (FSK). Typiska användningsområden för en anordning som beskrivits enligt ovan kan vara i en eller flera av: spinntronik, magnetik, hårddiskar (särskilt lämplig för ett läshuvud), domänväggs-anordningar eller skyrmionbaserade minnesanordningar.

Nu hänvisas till FIG. 1a-d som förklarar arbetssättet för en NC-STO mera detaljerat för en bättre förståelse av utföringsformerna som anges ovan, förutom spinnoscillatorn som baseras på spin-hall-effekten, vilken Inte kommer förklaras i detta sammanhang.

FIG. 1a-d Nukieation och fältbromsning av en droppskyrmion: En mikromagnetisk simulering av en NC-STO vid J = 2:5<*>10<8>A/cm<2>som visar nukieation av en droppe, dess omvandling till en droppskyrmion, och efterföljande fältstyrd bromsning mellan en droppskyrmion och en statisk skyrmion: FIG. 1a är en vy från ovan av spinnstrukturen vid tio olika simuleringstider; den vita cirkeln indikerar nano-kontakten med en radie på 15 nm; FIG. 1b är en vy från ovan av den topologiska densiteten vid samma tidpunkter som i a; FIG. 1c visar tidsspår av de tre magnetiseringskomponentema som medelvärde över simuleringsområdet (mx och my är i-plan, mz ut-ur-plan) med streckade vertikala linjer som motsvarar de tio ögonblicksbilderna ovan; FIG. 1d är ett tidsspår av den totala energin och skyrmiontalet. Systemet bildar först en droppe, vilken kvarblir stabil under flera perioder tills omkring t = 0:2 ns när den blir ökat mottaglig för anti-skyrmion perturbationer (S < 0). Dessa perturbationer lämnar slutligen väg för (t = 0:3 ns) bildandet av en droppskyrmion med S = 1. När det pålagda fältet stängs av vid t = 0:7 ns, upplöses snabbt droppskyrmionen till en statisk skyrmion. Om fältet återigen slås på, kan skyrmionen omvandlas till en droppskyrmion på ett reversibelt sätt. Om slutligen både fältet och strömmen slås av drar skyrmionen ihop sig till sin jämviktsstorlek som ges av materialparametrarna.

FIG. 2a-d Nukieation och ström-toggling av en dropp-skyrmion: En mikromagnetisk simulering av samma NC-STO som i FIG. 1a-d vid ett pålagt fält på 0:3 kOe visar nukleationen av en droppe, a droppskyrmion, hållbarheten av den senare vid låga strömtätheter, och dess efterföljandethe annihilation då strömtätheten reduceras ytterligare. FIG. 2a och b visar vyerna från ovan av spinnstrukturen och den topologiska densiteten vid åtta olika simuleringstider. FIG. 2c visar ett tidsspår av de tre magnetiseringskomponentema som medelvärde över simuleringsområdet med streckade vertikala linjer som motsvarar de åtta tidpunkterna ovan; FIG. 2d visar ett tidsspår av den totala energin och skyrmiontalet. Strömmen varieras enligt följande: I = 2.15 * 108 A/cm2 för 0 < t < 1 ns, 2.5 * 108 A/cm2 för 1 ns < t < 2 ns, 2.0 * 108 A/cm2 för 2ns < t < 3ns, och 1.9 * 108 A/cm2 för 3 ns < t < 4 ns. Rad e visar schematiskt strömpulserna som pålagts under simuleringen.

FIG. 3a-c justering av droppskyrmionfrekvensen: Droppskyrmionens frekvens visas som fasta linjer och ifyllda cirklar för: FIG. 3a Happ = 0:3 T då strömtätheten varieras; FIG. 3b visar J = 2:5<*>10<8>A/cm<2>då det pålagda fältet varieras. Motsvarande droppfrekvens (DMI=0) visas som punktlinjer och ihåliga cirklar. Zeeman- och FMR- frekvenserna visas som streckade linjer. De infällda rutorna visar droppens radie (ihåliga cirklar) och det tidsmedelvärdet av droppskyrmionens radie (ifyllda cirklar) där felfälten (eng. "error bars") indikerar det totala området av radievärden. Droppskyrmionens frekvens minskar snabbt med ökande radie (ökande ström) i FIG. 3a. Då fältet ökar i FIG. 3b, blir droppskyrmionen styvare, vilket reducerar andningen och gör att dynamiken liknar den hos en droppe.

FIG. 4a-b Nukleations- och stabilitetsfasdiagram: FIG. 4a visar nukieation av en droppe (ihålig cirkel), droppskyrmion (ifylld regnbågscirkel, och statisk skyrmion (grön ifylld cirkel) vid olika fält och strömmar. FIG. 4b visar stabiliteten hos droppskyrmionen över ett mycket brett fält- och strömområde. Notera att fältaxeln är olinjär för att leda till den slutgiltiga kollapsen av droppskyrmionen vid mycket höga fält. Droppskyrmionen nukleerades genom att använda betingelserna som understryks av den rosa kvadraten.

FIG. 5a-b Dropp- och droppskyrmioninjektionslåsning: Injektionslåsningsdiagrammet av en (FIG. 5a) droppe och (FIG. 5b) droppskyrmion som en funktion av den injicerade mikrovågsströmmens (vita streckade linjer) frekvens. Den injicerade signalen är en ren ton med amplitud 0:2J. Det helt ströminducerade Oersted-fältet är även inkluderat i dessa simuleringar. Trots att droppen inte är synbart injektionslåst för parametrarna som studeras, uppvisar droppskyrmionen en mycket stor faslåsningsbandbredd på approximativt 3 GHz. Utanför det låsta området uppvisar droppskyrmionen starka intermodulationsprodukter som ytterligare demonstrerar dess starka samverkan med den injicerade strömmen.

FIG. 6a-d Droppnukleation och skyrmionavläsning: FIG. 6a och b är två vyer från ovan av spinnstrukturen och normaliserad topologisk täthet vid fyra olika tider; FIG. 6c visar tidsspåret av de tre magnetiseringskomponentema som medelvärde över simuleringsområdet med streckade vertikala linjer som motsvarar ögonblicksbilderna ovan; FIG. 6d visar tidsberoende frekvens för precessions magnetiseringen. En statisk skyrmion initialiseras som mikromagnetiskt grundtillstånd vid t1. Genom att pålägga en strömtäthet J = 2:15<*>10<8>A/cm<2>, nukleeras en droppe (t2). Droppen verkar som en attraktiv källa för den statiska skyrmionen tills den slås ihop vid t3. Droppen absorberar skyrmiontopologin vilket bevisas genom reduktionen av magnetiseringen i-plan och frekvensfallet då droppskyrmionen bildas vid (t4).

Det har nyligen varit en snabb ökning av intresset avseende magnetiska skyrmioner [1-8], vilka är partikellika topologiska solitoner som ursprungligen upptäckts i bulkferromagneter som saknar inversionssymmetri, såsom de icke centrosymmetriska MnSi och FeCoSi [9, 10] och senare även i tunnfilmer av liknande material [10, 11], Den magnetiska skyrmionens spintextur kommer från en balans mellan den vanliga ferromagnetiska utbyteskopplingen, Dzyaloshinskii-Moriya-interaktionen (DMI), och Zeeman-energin från det pålagda fältet. Mycket nyligen föreslogs skyrmioner även som nästa generations magnetiska informationsbärare i ultratunna magnetiska nanotrådar, där assyrnmetriska gränssnitt ger nämnda nödvändiga DMI [12-14]. Som informationsbärare är det nödvändigt att nukleera isolerade skyrmioner i motsats till skyrmionytfasen som observerats för icke symmetriska tunnfilmer [11], Sådana isolerade skyrmioner demonstrerades nyligen experimentellt genom att använda spinn-polariserad tunlingsmikroskopi (eng. spin-polarized tunneling microscopy) (STM) vid noll fält i ett monoskikt av Fe växt i lr(111) [15].

Parallellt med denna snabba utveckling demonstrerades experimentellt nyligen en ny dissipativ, och icke topologisk magnetisk soliton, den så-kallade magnetiska droppen [16],

[17] genom att använda spinnövergångsmoment (eng. spin transfer torque) (STT) i nano-kontakt spinnmomentoscillatorer (NC-STO:er) med vinkelräta magnetiska anisotropa (PMA) fria skikt. Trots ursprungligen ansett som en teoretisk kuriositet, enbart stabilt i magnetiska PMA filmer med noll spinnvågsdämpning [18, 19], gjorde tillkomsten av STT [20, 21] det möjligt att lokalt skapa ett verksamt förlustlöst spinnvågsmedium [22, 23] med de önskade materialegenskaperna fördroppnukleation, styrning och manipulering [16, 24].

Trots att droppar och skyrmioner hittills har studerats helt separat med liten korsbefruktning mellan dessa två, är de i praktiken starkt förenade. De fundamentala egenskaperna som hittills separerar dem är deras dynamiska, topologiska och dissipativa karaktär. Droppen är dynamisk i det avseende att alla dess spinn sker vid en enskild frekvens; i en skyrmion kvarblir spinntexturen statiskt och enbart dess utsträckning i rymden kan varieras av yttre faktorer såsom elektromagnetiska vågor av växelström och termiska gradienter [25-27]. Droppen är icke topologisk med ett skyrmiontal på noll; skyrmionen skyddas topologiskt och har ett skyrmiontal på 1. Droppen är dissipativ och kräver STT för att upprätthålla både dess precession och hölje (eng. "envelope"); det topologiska skyddet som ges av skyrmionen gör dess spinnstruktur mycket stabil mot dissipativ upplindning.

Trots dessa synbart inbördes exklusiva egenskaper, visar vi här hur flera av dessa karakteristika kan kombineras med framgång, som utbyte samtidigt givande en dynamisk, dissipativ, och topologiskt skyddad magnetisk droppskyrmion.

Mikroskopiskt modellerar vi [28] en NC-STO med ett ultratunt PMA Co fritt skikt, liknande det som simulerats i Ref. [12]. För ett utmatat pålagt fält ut ur-plan på Ha = 0:3 T och strömtäthet J = 2:5<*>10<8>A/cm<2>, visar FIG. 1a-d den snabba nukleationen av en magnetisk droppsoliton som uppvisar dess typiska karakteristika av precessing-spinn längs med dess omkrets (eng. "perimeter"). Pga. stort DMI, är spinnstrukturen väsentligen perturberad (t1 och t2) jämförd med situationen där DMI är frånvarande. Perturbering kan uttryckas i termer av den lokala topologiska tätheten [29, 30] n. Den topologiska tätheten är alltså integranden i definitionen av skyrmiontalet S. Vid exempelvis tiderna t1 and t2, fann man områden av svag från noll skild topologisk täthet att rotera runt droppomkretsen. Under det att droppen är stabil under ett antal perioder fortsätter de topologiska perturbationerna att växa i amplitud och nästan driva bildandet av en anti-skyrmion (S närmar sig -1 vid t3) just innan systemet byter till ett stabilt S = 1 tillstånd vid t4. Detta nya tillstånd kvarhåller den dynamiska precessions-karaktären hos droppen, under det att den har topologin hos en skyrmion, och beskrivs därför bäst som en droppskyrmion. Precis som i droppen sker spinnet längs med omkretsen av droppskyrmionen vid en enskild frekvens långt under den ferromagnetiska resonansen, dock ovan Zeeman-frekvensen fz. I motsats till droppen, där spinnen sker i fas (förutom lokala avvikelser) kräver spinnen i droppskyrmionen en hel 2<*>pi fasrotation längs sin omkrets vid alla tidpunkter. Detta leder till kontinuerliga omvandlingar mellan igelkotts- och vortex-liknande spinntexturstrukturer [31]. Medan droppstorleken typiskt kvarblir stabil under dess excitering, känner droppskyrmionen dramatisk andning så att dess radie varierar med upp till en faktor på 5 (se rutor i FIG. 3a-b nedan). Andningsfrekvensen är identisk och faslåst till precessionsfrekvensen och således till den omvandlande spinntexturen. Detta uppträdande påminnerom andningen som observerats i kvasi-1D magnetiska droppsolitonspar med icke-noll kiralitet [32] och droppskyrmionen omvandlas till ett sådant solitonpar om den laterala dimensionen av simuleringsarean reduceras till den hos nämnda NC (visas inte). I båda fallen attribueras andningen till balansen mellan de styrande magnetiska energierna, inkluderande STT och DMI. Objektets storlek krymper således pga. dämpningen och det pålagda fältet medan den senare expanderar då nämnda STT favoriserar en större reverserad area. Den specifika orienteringen vid maximal och minimal droppskyrmion-halt kan knytas till nämnda DMI-inducerade canting av de fysiska gränserna som visas i Ref. [12] (Se FIG. 1a-d vid t6). Det är viktigt att understryka att denna typ av andning i topologiska strukturer sker vid samma precessions-frekvens pga. den tidigare angivna energibalansen under det att andning pga. enbart dipolära fält förväntas ske vid den dubbla precessionsfrekvensen [19]. Som antyds ovan säkerställer topologin hos droppskyrmionen att spinnen i omkretsen sker vid en enskild frekvens under det att man upprätthåller en 2r fasrotation. Detta medför att den i rymden medelmagnetiseringen i-plan är konstant i tid. Emellertid förorsakar andningen en kraftig variation i mz-komponenten som medger för oss att säkert bestämma oscillationsfrekvensen. Som visas nedan är frekvensen en god estimator på exciterad dynamik och dess fält- och strömtäthetsberoenden så väl som dess injektionslåsningsegenskaper medger att säkert skilja mellan en droppe och en droppskyrmion i en experimentell situation. Om fältet stängs av relaxerar droppskyrmionen till en statisk igelkottsskyrmion. Om fältet igen slås på, omvandlas droppskyrmionen då processionen återstartar. Omvandlingen från droppskyrmion till skyrmion är således helt reversibel, vilket är en naturlig konsekvens av deras identiska topologi. Om slutligen både fält och ström stängs av, kvarbfir en mindre statisk igelkottsskyrmion med sin storlek som ges av simuleringens materialparametrar. Från nämnda STT som tillhandahålls av en strömtäthet skild från noll, ka man styrbart justera den statiska skyrmionens storlek, där en positiv strömtäthet ökar storlek och en negativ strömtäthet minskar den.

Droppskyrmionerna kan även nukleeras genom att styra enbart strömtätheten. FIG. 2a-e visar en mikromagnetisk situation av samma NC-STO i ett konstant pålagt fält på 0:3 T, som favoriserar ett likformigt ferromagnetiskt tillstånd. Efter en period av svag ferromagnetisk resonans (FMR) såsom procession, bildas en DMI-perturberad droppe och kvarblir nu stabil så länge som strömtätheten begränsas till J = 2:15<*>10<8>A/cm<2>. När strömtätheten istället ökas till J = 2:5<*>10<8>A/cm<2>ger nämnda STT tillräcklig energi för att inducera kraftiga topologiska svängningar mellan negativt och positivt skyrmiontal för att slutligen byta (eng. "switch") systemet till ett stabilt droppskyrmiontillstånd. När väl droppskyrmionen har bildats kan strömtätheten reduceras väsentligt under det att man fortfarande upprätthåller precessionen, tills en minsta upprätthållande strömtäthet nås under vilken droppskyrmionen snabbt kollapsar till ett uniformt S = 0 ferromagnetiskt tillstånd, på ett liknande sätt som vanliga droppar. Som en konsekvens är det fullt möjligt att upprepande ha åtkomst till de uniforma dropp-, och droppskyrmiontillstånden genom att enbart styra strömtätheten. Genom att styra både drivströmtätheten och det pålagda fältet, kan övergångar mellan alla fyra tillstånd, inkluderande den statiska skyrmionen, styras enligt behov, med den enda begränsningen att den direkta omvandlingen av en skyrmion eller droppskyrmion till en droppe, som kräver ett mellanliggande steg av ett uniformt magnetiserat tillstånd.

I FIG. 3a-b jämförs den fält- och strömberoende justerbarheten av droppskyrmionen och motsvarande droppe (den senare simulerad genom att ta bort nämnda DMI-term men annars delande identiska betingelser). Den mest uppenbara funktionen av droppskyrmionen är en mycket starkare frekvensjusterbarhet än droppen. Medan droppfrekvensen är väsentligen oberoende av strömtäthet och linjärt beroende av fältet, minskar frekvensen hos droppskyrmionen snabbt och linjärt med ökande strömtäthet och uppvisar ett icke-linjärt fältberoende, särskilt vid låga fält. Dessutom observeras det att droppskyrmionens maximala frekvens är bunden av dess droppmotpart. Nyckeln till att förstå de mycket starkare fält- och strömberoendena ligger i den kraftiga andningen av droppskyrmionen. Medan den vanliga droppen alltid är något större än nano-kontakten och inte varierar signifikant i storlek med antingen ström eller fält, kan droppskyrmionens radie vid låga fält ha ett minimum som är mindre än en tredjedel av nanokontaktradien och ett maximum som är mera än 50 % större än nano-kontakten, såsom framgår av feltavlorna i rutorna i FIG. 3a-b. Med andra ord kan andningen göra att droppskyrmionens radie varierar mera än fem gånger dess minsta storlek. Den mycket kraftiga andningen kommer öka dlssipationen och den periodiska translationen av domänväggen som utgör droppskyrmionens omkrets kommer att minska ned den totala processionen. När strömtätheten ökas i FIG. 3a ökar även den maximala radien, vilken ytterligare minskar hastigheten hos precessionen. När emellertid fältet ökas i FIG. 3b stimuleras minskar amplituden av andningen, och som en konsekvens närmar sig både den maximala radien och frekvensen hos droppskyrmionen närmar sig dessa hos droppen.

Som observeras I FIG. 2a-e ovan uppvisar droppskyrmionen en liknande grad av hysteres som den ursprungliga droppen, dvs, dess upprätthållande ström kan vara mycket lägre än strömmen som behövdes för nukieation. Hysteresen försäkrar en minsta grad av stabilitet, vilken skulle göra droppskyrmionen tillräckligt robust för tillämpningar. I FIG. 4a-b undersöker vi denna stabilitet mera detaljerat och presenterar ett nukleationsfasdiagram i FIG. 4a och ett stabilitetsfasdiagram i FIG. 4b. Nukleationsfasdiagrammet visar det slutliga stabila tillståndet hos det simulerade systemet, när både ström och fält är påslagna vid tO och hålls konstanta tills stabilt tillstånd. Fem olika sluttillstånd kan identifieras: en droppe, en droppskyrmion, en statisk skyrmion, och de två trivialt mättade tillstånden. Stabilitetsfasdiagrammet å andra sidan visar det slutliga stabila tillståndet vid alla fält- och strömvärden efter att en droppskyrmion först har nukleerats vid betingelserna som visas i rosa. Här är enbart fyra olika sluttillstånd möjliga då droppskyrmionen aldrig omvandlas tillbaka direkt till en droppe. Det är värt att notera att droppskyrmionen är stabil över ett mycket stort ström- och fältområde, mera så än droppen, vilket överensstämmer med dess topologiska skydd som ger den ytterligare stabiliteten.

Droppskyrmionen är en ny solitonisk, dynamisk, och topologisk struktur som är möjlig att excitera i NC-STO:er. En naturlig första tillämpning för droppskyrmionen är därför som en NC-STO-baserad mikrovågssignalgenerator där den har potentialen att överträffa både de ursprungliga utbredande [33-36] och lokala [34, 35, 37, 38] spinnvågsmodema, så väl som den nyligen upptäckta droppen [17] på ett antal sätt, inkluderande i) uteffekt, ii) minsta arbetsströmtäthet, iii) strömjusteringsmöjlighet, iv) maximal arbetsfrekvens, v) mikrovågsströminjektionslåsning, och vi) lägre fasbrus.

Uteffekt. En av de mest attraktiva egenskaperna hos den ursprungliga magnetiska droppsolitonen [16, 18,19] är dess mycket högre uteffekt jämförd med normal FMR-liknande precession, med experiment som visar en 40x ökning i uteffekt då droppen bildas [17]. Detta är en konsekvens av den mycket större precessionsvinkeln, där en väsentlig andel av spinnen utbreder sig längs med ekvatorn och således (lokalt) använder all tillgänglig magnetresistans, Då droppskyrmionen även uppvisar liknande stora precessionsvinklar, kommer dess topologiska skydd med en 2<*>pi rotation av den relativa fasen längs med dess omkrets, och som en konsekvens, medelsvärdesbildas den stora utbredningen i-plan till noll mikrovågsuteffekt vid alla tidpunkter. Emellertid återskapar den mycket stora andningen av droppskyrmionen, direkt faslåst till precessionsfrekvensen mikrovågssignalen. Då droppskyrmionen expanderar och drar ihop sig precessar effektivt mz-komponenten av de lokala spinnen mellan -1 och 1. Då andningen kan vara större än 5 gånger den minsta diameter av droppskyrmionen, vilken i sin tur är mycket mindre än NC-diametern, använder detta mode väsentligen all tillgänglig vinkelrät magnetresistans hos anordningen. Som en konsekvens antas droppskyrmionen ge ytterligare en storleksordnings ökning i uteffekt jämfört med droppen, då i den senare, enbart spinnet längs med omkretsen bidrar till deras maximala effekt.

Minsta arbetsströmtäthet. Som visats experimentellt i Ref. [17], skalas tröskelströmtätheten för droppnukleation i en ortogonal-spinn-ventil inverterat mot det pålagda fältet ut-ur-plan; droppnukleationen assisteras och droppen stabiliseras genom den vinkelräta komponenten av den spinnpolariserade strömtätheten. Den lägsta strömtätheten ges således för axed skikt som är mättat ut-ur-plan. Då emellertid droppen genererar dess mikrovågssignal helt från komponenten i-plan av dess utbredning, kräver den en signifikant komponent i-plan av magnetiseringen för det fasta skiktet för signalgeneration; ett fullt mättat axed skikt genererar inte någon mikrovågssignal. Då droppskyrmionen å andra sidan utvinner sin mikrovågssignal helt från den vinkelräta magnetresistansen, ger den sin maximala uteffekt exakt i det mättade fasta lagrets tillstånd. En droppskyrmion NC-STO kan således samtidigt optimera för maximal uteffekt och minsta arbetsström.

Strömjusteringsmöjlighet. En nackdel med droppbaserade NC-STO:er är deras dåliga strömjusteringsmöjlighet, som begränsar både deras frekvensområde och strömmoduleringsegenskaper. Som emellertid visas i FIG. 3a ovan, ger andningen av droppskyrmionen en mycket stor strömjusteringsmöjlighet, som gör droppskyrmionen mycket mera attraktiv för mikrovågstillämpningar.

Maximal arbetsfrekvens. Som visas i FIG. 4b ovan är droppskyrmionen synnerligen stabil även vid mycket höga fält. Således kan den arbeta vid en mycket högre frekvens än droppen, som begränsas av mättnadsfältet av det fasta skiktet. Mikrovågsströminjektionslåsning. Medan droppen är väsentligen okänslig för injektionslåsning till en mikrovågsström (FIG. 5a), injektionslåses droppskyrmionen främst (FIG. 5b), primärt pga. stark koppling mellan det tidsvarierande spinnövergångsmomentet och andningen. Denna känslighet är inte viktig enbart i mikrovågssensortillämpningar, utan den tillhandahåller även direkta medel för att inbördes synkronisera ett stort antal droppskyrmion NC-STO:er i serie via deras delade mikrovågsström [39-42]. Den dramatiska skillnaden i injektlonslåsningsstyrka och det starka ström beroendet av frekvensen är förmodligen de mest uppenbara experimentella testerna av en första experimentell demonstration av en droppskyrmion.

Fasbrus. Droppen är känd för att vara känslig för att driva iväg från NC:n och perturbationer av dess omkrets, vilka båda adderar signifikant fasbrus och linjebredd för dess mikrovågssignal. Droppskyrmionen förefaller vara signifikant mera robust mot sådana perturbationer och skulle som en konsekvens ge en mycket renare mikrovågssignal.

Skyrmionik. Droppskyrmionen har även stor potential för direkta skyrmiontillämpningar som ges av de talrika interaktionerna mellan droppar, droppskyrmioner, och statiska skyrmioner. För att illustrera ger vi här ett intrikat exempel på en droppbaserad ultra-snabb avläsning av en skyrmion. Som ett utgångsläge tar vi en statisk skyrmion i närheten av en nano-kontakt (FIG. 6a-d). VI låter sedan tillräckligt mycket ström passera genom nano-kontakten för att nukleera en droppe utan att driva en omvandling till en droppskyrmion. Då de DMI-drivna perturbationema av droppen roterar runt NC:n, interagerar de med den närliggande skyrmionen, vilket slutligen känns som en tillräckligt attraktiv kraft för att dras in under nano-kontakten där den sammanförs med droppen och i processen överför sin topologi, onvandlande droppen till en dropp-skyrmion. Denna omvandling kan observeras i tid-frekvens-illustrationen i FIG. 6d där, på bråkdelen av en nanosekund, spinnen ändrar sin precesslonsfrekvens från 30 till 20 GHz och den karateristiska andningen börjar, vilken direkt genererar en mikrovågssignal över anordningen.

Föregående detaljerade beskrivning är avsedd att illustrera och ge enklare förståelse av uppfinningen, och ska inte ses som begränsningar. Alternativa utföringsformer är uppenbara för fackmannen inom området utan att frångå uppfinningstanken hos uppfinningen.

Referenslista: [1] U. K. Roessler, A. N. Bogdanov, and C. Peiderer, Nature 442, 797 (2006). [2] S. Heinze, K. von Bergmann, M. Menzel, J. Brede, A. Kubetzka, R. Wiesendanger, G. Bihlmayer, and S. Bluegel, Nature Physics 7, 713 (2011). [3] T. Schulz, R. Ritz, A. Bauer, M. Halder, M. Wagner, C. Franz, C. Peiderer, K. Everschor, M. Garst, and A. Rosch, Nature Physics 8, 301 (2012). [4] S. Sekl, X. Z. Yu, S. Ishiwata, and Y. Tokura, Science 336,198 (2012). [5] M. Nagao, Y.-G. So, H. Yoshida, M. Isobe, T. Hara, K. Ishizuka, and K. Kimoto, Nature Nanotechnology 8,325 (2013). [6] R. Ritz, M. Halder, M. Wagner, C. Franz, A. Bauer, and C. Peiderer, Nature 497, 231 (2013). [7] P. Milde, D. Koehler, J. Seidel, L. M. Eng, A. Bauer, A. Chacon, J. Kindervater, S. Muehlbauer, C. Peiderer, S. Buhrandt, C. Schuette, and A. Rosch, Science 340,1076 (2013). [8] A. Brataas and K. M. D. Hals, Nature Nanotechnology 9, 86 (2014). [9] S. Muhlbauer, B. Binz, F. Jonietz, C. Peiderer, A. Rosch, A. Neubauer, R. Georgii, and P. Boni, Science 323, 915 (2009).

[10] X. Yu, Y. Onose, N. Kanazawa, J. Park, J. Han, Y. Matsui, N. Nagaosa, and Y. Tokura, Nature 465, 901 (2010).

[11] X. Yu, N. Kanazawa, Y. Onose, K. Kimoto, W. Zhang, S. Ishiwata, Y, Matsui, and Y. Tokura, Nature Materials 10,106 (2011).

[12] J. Sampaio, V. Cros, S. Rohart, A. Thiaville, and A. Fert, Nature Nanotechnology 8, 839 (2013).

[13] A. Fert, V. Cros, and J. Sampaio, Nature Nanotechnology 8,152 (2013).

[14] J. Iwasaki, M. Mochizuki, and N. Nagaosa, Nature Nanotechnol 8, 742 (2013).

[15] N. Romming, C. Hanneken, M. Menzel, J. E. Bickel, B. Wolter, K. von Bergmann, A. Kubetzka.and R. Wiesendanger, Science 341, 636 (2013).

[16] M. A. Hoefer, T. J, Silva, and M. W. Keller, Phys. Rev. B 82, 054432 (2010).

[17] S. M. Mohseni, S. R. Sani, J. Persson, T. N. A. Nguyen, S. Chung, Y. Pogoryelov, P. K. Muduli, E. lacocca, A. Eklund, R. K. Dumas, S. Bonetti, A. Deac, M. A. Hoefer, and J. Åkerman, Science 339,1295 (2013).

[18] B. Ivanov and A. Kosevich, Sov. Phys. JETP 45,1050 (1977).

[19] A. Kosevich, B. Ivanov, and A. Kovalev, Physics Reports 194,117 (1990).

[20] J. C. Slonczewski, Journal of Magnetism and Magnetic Materials 159, L1 (1996).

[21] L. Berger, Phys. Rev. B 54, 9353 (1996).

[22] W. H. Rippard, A. M. Deac, M. R. Pufall, J. M. Shaw, M. W. Keller, S. E. Russek, G. E. W. Bauer, and C. Serpico, Phys. Rev. B 81, 014426 (2010).

[23] S. M. Mohseni, S. R. Sani, J. Persson, T. N. Anh Nguyen, S. Chung, Y. Pogoryelov, and J. Åkerman, Physica Status Solidi RRL 5, 432 (2011).

[24] M. A. Hoefer, M. Sommacal, and T. J. Silva, Phys. Rev. B 85, 214433 (2012).

[25] M. Mochizuki, Phys. Rev. Lett. 108, 017601 (2012).

[26] Y. Onose, Y. Okamura, S. Seki, S. Ishiwata, and Y. Tokura, Phys. Rev. Lett. 109, 037603 (2012).

[27] M. Mochizuki, X. Yu, S. Seki, N. Kanazawa, W. Koshibae, J. Zang, M. Mostovoy, T. Y., and N. IM., Nature Materials 13,241 (2014).

[28] A. Vansteenkiste and B, V. de Wiele, Journal of Magnetism and Magnetlc Materials 323, 2585(2011).

[29] C. Mouta_s, S. Komineas, and J. A. C. Bland, Phys. Rev. B 79,224429 (2009).

[30] H.-B. Braun, Advances in Physics 61,1 (2012).

[31] A. Thiavllle, S. Rohart, E. Jue, V. Cros, and A. Fert, EPL 100, 57002 (2012).

[32] E. lacocca, R. K. Dumas, L. Bookman, M. Mohseni, S. Chung, M. A. Hoefer, and J. Åkerman, Phys. Rev. Lett. 112,047201 (2014).

[33] J. C. Slonczewski, J. Magn. Magn. Mäter. 159, 261 (1999).

[34] S. Bonettl, V. Tiberkevich, G. Consolo, G. Finocchio, P. Muduli, F. Manco_, A. Slavin, and J. Åkerman, Physical Review Letters 105, 217204 (2010).

[35] R. K. Dumas, E. lacocca, S. Bonetti, S. R. Sani, S. M. Mohseni, A. Eklund, J. Persson, O. Heinonen, and J. Åkerman, Physical Review Letters 110, 257202 (2013).

[36] M. Madami, S. Bonetti, G. Consolo, S. Tacchi, G. Carlotti, G. Gubbiotti, F. B. Manco, M. A. Yar, and J. Åkerman, Nature Nanotechnology 6, 635 (2011).

[37] A. Slavin and V. Tiberkevich, Phys. Rev. Lett. 95, 237201 (2005).

[38] V. E. Demidov, S. Urazhdin, and S. O. Demokritov, Nature Materials 9, 984 (2010).

[39] J. Grolller, V. Cros, and A. Fert, Phys. Rev. B 73, 060409 (2006).

[40] J. Persson, Y. Zhou, and J. Åkerman, J. Appl. Phys. 101, 09A503 (2007).

[41] Y. Zhou and J. Åkerman, Applied Physics Letters 94,112503 (2009).

[42] E. lacocca and J. Åkerman, Journal of Applied Physics 110,103910 (2011).

[43] A. N. Bogdanov and U. K. Roler, Phys. Rev. Lett. 87, 037203 (2001).

Claims (18)

Patentkrav

1. Spinnoscillator-anordning (1) som innefattar en spin-oscillator (2) med en magnetisk film (3) med vinkelrat magnetisk anisotropi; och; kannetecknad av att spinnoscillatoranordningen (1) innefattar medel (4) konfigurerade till att generera magnetiska droppskyrmioner (5), dar namnda medal (4) är konfigurerade till att styra droppskyrmionerna (5) genom att palagga strom (I) och/eller magnetiska (110H) fait, dar spinnoscillatorn (2) är en spinnmomentoscillator, STO, dar en nano-kontakt, NC, (6) är anordnad pa den magnetiska filmen (3) tillhandahallande en "NC-STO" (2, 6), dar namnda medel (4) är konfigurerade till att palagga spinnovergangsmoment, STT, under namnda NC (6).

2. Spinnoscillator-anordning (1) enligt krav 1, dar spinnoscillatorn (2) är en spin-momentoscillator, STO, dar en nano-kontakt, NC, (6) är anordnad pa namnda magnetiska film (3) som ger en NC-STO (2, 6), och namnda medel (4) är konfigurerade till att palagga spinnovergangs-moment under namnda NC (6).

3. Spinnoscillator-anordning (1) enligt krav 1, dal. spinnoscillatorn (2) är baserad pa en spinn Hall Effekt.

4. Spinnoscillator-anordning (1) enligt krav 2, dar namnda medal (4) är konfigurerade till att styra droppskyrmionerna (5) genom att palagga stram (I).

5. Spinnoscillator-anordning (1) enligt krav 2, dar namnda medal (4) är konfigurerade till att styra droppskyrmionerna (5) genom magnetiska (p.oH) fait.

6. Spinnoscillator-anordning enligt nagot av kraven 2, eller 4-5, dar namnda NC-STO (2, 6) är baserad pa vinkelrata pseudospinn-ventil-stackar.

7. Spinnoscillator-anordning enligt nagot av kraven 2, eller 4-5, dar namnda NC-STO (2, 6) ar baserad pa vinklade pseudospinn-ventil-stackar.

8. Spinnoscillator-anordning enligt nagot av kraven 1-2, eller 4-5, dar namnda NC-STO (2, 6) är baserad pa ortogonala pseudospinn-ventil-stackar.

9. Spinnoscillator-anordning enligt nagot av kraven 2, eller 4-5, dar namnda NC-STO (2, 6) är baserad pa vinklade pseudospinn-ventil-stackar dar vinkeln inte är likformig.

10. Spinnoscillator-anordning enligt nagot av kraven 2, eller 4-5, dar namnda NC-STO (2, 6) är baserad pa en magnetisk-tunnlings-overgang, MTJ.

11. Spinnoscillator-anordning enligt nagot av kraven 2, eller 4-5, dar namnda NC-STO (2, 6) dr baserad pa on kombination av pseudospinn-ventiler och magnetiska tunnlingsovergangar, MTJ.

12. Spinnoscillator-anordning enligt krav 7, dar de vinklade pseudospinn-ventil-stackarna är tillverkade av skikt med olika kristallina egenskaper.

13. Spinnoscillator-anordning enligt krav 7, dar de vinklade pseudospinn-ventil-stackarna är tillverkade av tva eller tiara skikt med olika vinklar.

14. Spinnoscillator-anordning enligt krav 1-13, dar nagon av de magnetiska egenskaperna uppvisar en variation I rymden i nagon lateral riktning,

15. Spinnoscillator-anordning enligt krav 1-14, dar en mikrovagsstrom, eller mikrovagsfalt, eller en kombination av mikrovagsstrom och —fait, vid samma nominella frekvens som spinnoscillator-anordningen injiceras fOr att fOrbattra den fbreliggande mikrovagssignalen fran spinnoscillator-anordningen,

16. Spinnoscillator-anordning enligt krav 1-14, dar en mikrovagsstrom, eller ett mikrovagsfalt, eller en kombination av mikrovagsstrom och —fait, vid samma nominellt hogre oktav eller deloktav, eller lagre deloktav av frekvensen av spinnoscillator-anordningen injiceras for aft forbattra den foreliggande mikrovagssignalen fran spinnoscillator-anordningen.

17. Spinnoscillator-anordning enligt krav 15-16, dar den tillhandahallna mikrovagsstrOmmen och/eller —fallet ursprungligen genereras av spinnoscillator-anordningen fOr att go aterkoppling till spinnoscillator-anordningen pa sig sjalv,

18. Spinnoscillator-anordning enligt krav 1, dar ett magneffalt eller en strom modulerar arbetspunkten hos spinnoscillator-anordningen. eller vands for spinntronik, .1..J FIG. VAFIG.